1、第七章第七章 软开关技术软开关技术 第七章第七章 软开关技术软开关技术 引言引言现代电力电子装置的现代电力电子装置的发展趋势发展趋势 小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有小型化、轻量化、对效率和电磁兼容性也有更高的要求。更高的要求。电力电子装置高频化电力电子装置高频化 滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子滤波器、变压器体积和重量减小，电力电子装置小型化、轻量化。装置小型化、轻量化。开关损耗增加，电磁干扰增大。开关损耗增加，电磁干扰增大。l软开关技术软开关技术 降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。进一步提高开关频率。进一步提高开关频率。第一节第一节 软开关的基本概念软开关的基本概
2、念 一一.硬开关和软开关硬开关和软开关l硬开关：硬开关：开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。开关过程中电压和电流均不为零，出现了重叠。电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，电压、电流变化很快，波形出现明显得过冲，导致开关噪声。导致开关噪声。t0a）硬开关的开通过程）硬开关的开通过程b）硬开关的关断过程）硬开关的关断过程图图71 硬开关的开关过程硬开关的开关过程uiP0uituuiiP00一一.硬开关和软开关硬开关和软开关l软开关：软开关：在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开在原电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，消除电压、电流的重叠。关过程前后引入谐振，
3、消除电压、电流的重叠。降低开关损耗和开关噪声。降低开关损耗和开关噪声。uiP0uitt0uiP0uitt0a）软开关的开通过程）软开关的开通过程b）软开关的关断过程）软开关的关断过程图图72 软开关的开关过程软开关的开关过程二二.零电压开关和零电流开关零电压开关和零电流开关v零电压开通零电压开通开关开关开通开通前其两端前其两端电压电压为零为零开通时不会产生损耗和噪声。开通时不会产生损耗和噪声。v零电流关断零电流关断开关开关关断关断前其前其电流电流为零为零关断时不会产生损耗和噪声。关断时不会产生损耗和噪声。v零电压关断零电压关断与开关与开关并联并联的的电容电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而
4、能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗。降低关断损耗。v零电流开通零电流开通与开关与开关串联串联的的电感电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗。了开通损耗。当不指出是开通或是关断，仅称当不指出是开通或是关断，仅称零电压开关零电压开关和和零电流开关零电流开关。靠电路中的谐振来实现。靠电路中的谐振来实现。第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类l根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为根据开关元件开通和关断时电压电流状态，分为零零电压电路电压电路和和零电流电路零电流电路两大类。两大类。l根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成根
5、据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路准谐振电路、零开关零开关PWM电路电路和和l 零转换零转换PWM电路电路。l每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不每一种软开关电路都可以用于降压型、升压型等不同电路，可以从同电路，可以从基本开关单元基本开关单元导出具体电路导出具体电路。第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类图图73基本开关单元的概念基本开关单元的概念a）基本开关单元）基本开关单元b）降压斩波器中的基本开关单元）降压斩波器中的基本开关单元c）升压斩波器中的基本开关单元）升压斩波器中的基本开关单元d）升降压斩波器中的基本开关单元）升降压斩波器中的基本开关单元第二节第
6、二节 软开关电路的分类软开关电路的分类 1.准谐振电路准谐振电路准谐振电路准谐振电路准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。波，因此称之为准谐振。是最早出现的软开关电路。l 特点特点：谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，谐振电流有效值很大，电路中存在大量无功功率的交换，电路导通损耗加大；电路导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此电路只能采用脉冲频率调制采用脉冲频
7、率调制（Pulse Frequency ModulationPFM）方式来控制。方式来控制。分别介绍三类软开关电路分别介绍三类软开关电路第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类可分为：可分为：用于逆变器的谐振直流环节电路用于逆变器的谐振直流环节电路(Resonant DC Link）。图图7-4 7-4 准谐振电路的基本开关单元准谐振电路的基本开关单元c)c)零电压开关多谐振电路的基本开关单元零电压开关多谐振电路的基本开关单元 电压开关多谐振电路电压开关多谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Multi-ResonantConverterZVS MRC）b)b)零电流
8、开关准谐振电路的基本开关单元零电流开关准谐振电路的基本开关单元 零电流开关准谐振电路零电流开关准谐振电路 (Zero-Current-Switching Quasi-Resonant ConverterZCS QRC）a)a)零电压开关准谐振电路的基本开关单零电压开关准谐振电路的基本开关单元元 零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路 (Zero-Voltage-Switching Quasi-Resonant ConverterZVS QRC）第二节第二节 软开关电路的分类软开关电路的分类 2.零开关零开关PWM电路电路l 引入了辅助开关来控制谐振的开始时引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻，
9、使谐振仅发生于开关过程前后。刻，使谐振仅发生于开关过程前后。零开关零开关PWMPWM电路可以分为：电路可以分为：l 特点：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。负载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步提高。这使得电路效率有了进一步提高。b)零电流开关零电流开关PWM电路电路的基本开关单元的基本开关单元图图75 零开关零开关PWM电路电路的基本开关单元的基本开关单元 零电流开关零电流开关PWM电路电路（Zero-Current-Switching P
10、WM ConverterZCS PWM）a)零电压开关零电压开关PWM电路电路的基本开关单元的基本开关单元 零电压开关零电压开关PWMPWM电路电路（Zero-Voltage-Switching PWM ConverterZVS PWM）第二节第二节.软开关电路的分类软开关电路的分类 3.零转换零转换PWM电路电路 l采用辅助开关控制谐振的开始时刻，采用辅助开关控制谐振的开始时刻，但谐振电路是与主开关并联的。但谐振电路是与主开关并联的。零转换零转换PWM电路可以分为：电路可以分为：l 特点：特点：电路在很宽的输入电压范围内和从零电路在很宽的输入电压范围内和从零负载到满载都能工作在软开关状态。负
11、载到满载都能工作在软开关状态。电路中无功功率的交换被削减到最小，电路中无功功率的交换被削减到最小，这使得电路效率有了进一步这使得电路效率有了进一步提高。提高。b）零电流转换）零电流转换PWM电路电路的基本开关单元的基本开关单元图图7 76 6 零转换零转换PWMPWM电路电路的基本开关单元的基本开关单元 零电流转换零电流转换PWM电路电路（Zero-Current Transition PWM ConverterZVT PWM）a a）零电压转换）零电压转换PWMPWM电路电路的基本开关单元的基本开关单元 零电压转换零电压转换PWM电路（电路（Zero-Voltage-Transition P
12、WM ConverterZVT PWM）第三节第三节 典型的软开关电路典型的软开关电路 一一.零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路1.电路结构电路结构以以降压型降压型为为例分析工作例分析工作原理。原理。假设假设电感电感L和和电容电容C很大很大，可等效为电可等效为电流源和电压流源和电压源，并忽略源，并忽略电路中的损电路中的损耗。耗。图图7-7 零电压开关零电压开关准谐振电路原理图准谐振电路原理图一一.零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路选择开关选择开关S关断时刻为分析的起点。关断时刻为分析的起点。t0t1时段：时段：t0之前，开关之前，开关S为通态，为通态，二极管二极管VD为断态，为断态
13、，uCr=0，iLr=IL，t0时刻时刻S关断，与其并联的电容关断，与其并联的电容Cr使使S关断后电压上升减缓，因此关断后电压上升减缓，因此S的关断的关断损耗减小。损耗减小。S关断后，关断后，VD尚未导通。尚未导通。电感电感Lr+L向向Cr充电，充电，uCr线性上升，线性上升，同时同时VD两端电压两端电压uVD逐渐下降，直到逐渐下降，直到t1时刻，时刻，uVD=0，VD导通。这一时段导通。这一时段uCr的上升率：的上升率：rrddCItuLC2.工作原理工作原理t0t1时段的时段的等效电路等效电路SS(uCr)iSiL ruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图7-87-
14、8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形图图7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图一一.零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路t1t2时段：时段：t1时刻二极管时刻二极管VD导通，电导通，电感感L通过通过VD续流，续流，Cr、Lr、Ui形成谐形成谐振回路。振回路。t2时刻，时刻，iLr下降到零，下降到零，uCr达达到谐振峰值。到谐振峰值。t2t3时段：时段：t2时刻后，时刻后，Cr向向Lr放电，放电，直到直到t3时刻，时刻，uCr=Ui，iLr达到反向谐达到反向谐振峰值。振峰值。t3t4时段：时段：t3时刻以后，时刻以后，Lr向向Cr反向反向充电，
15、充电，uCr继续下降，直到继续下降，直到t4时刻时刻uCr=0。t1t2时段的时段的等效电路等效电路uSS(uCr)iSiL ruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图7-87-8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形图图7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图一一.零电压开关准谐振电路零电压开关准谐振电路t4t5时段：时段：uCr被箝位于零，被箝位于零，iLr线性衰减，直到线性衰减，直到t5时刻，时刻，iLr=0。由于此时开关由于此时开关S两端电压为零，两端电压为零，所以必须在此时开通所以必须在此时开通S，才不，才不会产生开通损
16、耗。会产生开通损耗。t5t6时段：时段：S为通态，为通态，iLr线性线性上升，直到上升，直到t6时刻，时刻，iLr=IL，VD关断。关断。t6t0时段：时段：S为通态，为通态，VD为断为断态。态。缺点缺点：谐振电压峰值将高于：谐振电压峰值将高于输入电压输入电压Ui的的2倍，增加了对倍，增加了对开关器件耐压的要求。开关器件耐压的要求。SS(uCr)iSiL ruVDt0t1t2t3t4t6t0tttttt5OOOOO图图7-87-8零电压开关准谐振电路的理想波形零电压开关准谐振电路的理想波形图图7-7 零电压开关准谐振电路原理图零电压开关准谐振电路原理图二二.谐振直流环谐振直流环l谐振直流环电路
17、应用于交流谐振直流环电路应用于交流-直流直流-交流变换电路的中间直流环节交流变换电路的中间直流环节（DC-Link）。通过在直流环节中。通过在直流环节中引入谐振，使电路中的整流或逆引入谐振，使电路中的整流或逆变环节工作在软开关的条件下。变环节工作在软开关的条件下。1.电路结构电路结构图图 7-11 7-11 谐振直流环电路原理图谐振直流环电路原理图 由于电压型逆变器的负载通由于电压型逆变器的负载通常为感性，而且在谐振过程常为感性，而且在谐振过程中逆变电路的开关状态是不中逆变电路的开关状态是不变的，因此分析时可将电路变的，因此分析时可将电路等效。等效。图图 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振
18、直流环电路的等效电路 二二.谐振直流环谐振直流环t0t1t2t3t4t0iL ruCrUinILttOO图图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 图图 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 t 0t1时段：时段：t0时刻之前，开时刻之前，开关关S处于通态，处于通态，iLrIL。t0时刻时刻S关断，电路中发生谐振。关断，电路中发生谐振。iLr对对Cr充电，充电，t1时刻，时刻，uCr=Ui。t1t2时段：时段：t1时刻，谐振电流时刻，谐振电流iLr达到峰值。达到峰值。t1时刻以后，时刻以后，iLr继续向继续向Cr充电，直到充电，直到t2时刻时刻i
19、Lr=IL，uCr达到谐振峰值。达到谐振峰值。2.工作原理工作原理二二.谐振直流环谐振直流环t2t3时段：时段：uCr向向Lr和和L放放电，电，iLr降低，到零后反向，降低，到零后反向，直到直到t3时刻时刻 uCr=Ui。t3t4时段：时段：t3时刻，时刻，iLr达到达到反向谐振峰值，开始衰减，反向谐振峰值，开始衰减，uCr继续下降，继续下降，t4时刻，时刻，uCr=0，S的反并联二极管的反并联二极管VDS导通，导通，uCr被箝位于零。被箝位于零。t4t0时段：时段：S导通，电流导通，电流iLr线性上升，直到线性上升，直到t0时刻，时刻，S再次关断。再次关断。t0t1t2t3t4t0iL ru
20、CrUinILttOO图图 7-13 谐振直流环电路的理想化波形谐振直流环电路的理想化波形 图图 7-12 谐振直流环电路的等效电路谐振直流环电路的等效电路 电压谐振峰值很高，增加电压谐振峰值很高，增加了对开关器件了对开关器件耐压耐压的要求。的要求。龙岩学院电力电子技术校级精品课 *龙岩学院物理与机电学院电气教研组21三三.移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路l移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，移相全桥电路是目前应用最广泛的软开关电路之一，它的它的特点特点是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅是电路简单。同硬开关全桥电路相比，仅增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零
21、电压开增加了一个谐振电感，就使四个开关均为零电压开通。通。图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路三三.移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路1.移相全桥电路控制方式的移相全桥电路控制方式的特点特点：图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形 在开关周期在开关周期TS内，每
22、个开内，每个开关导通时间都略小于关导通时间都略小于TS/2，而关断时间都略大于而关断时间都略大于TS/2；同一半桥中两个开关不同同一半桥中两个开关不同时处于通态，每个开关关时处于通态，每个开关关断到另一个开关开通都要断到另一个开关开通都要经过一定的死区时间。经过一定的死区时间。三三.移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路互为对角的两对开关互为对角的两对开关S1-S4和和S2-S3，S1的波形比的波形比S4超前超前0TS/2时间，而时间，而S2的波形比的波形比S3超前超前0TS/2时时间，因此称间，因此称S1和和S2为超前为超前的桥臂，而称的桥臂，而称S3和和S4为滞为滞后的桥臂
23、。后的桥臂。图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形龙岩学院电力电子技术校级精品课 *龙岩学院物理与机电学院电气教研组24三三.移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路 2.工作过程：工作过程：图图 7-16 7-16 移相全桥电路在移相全桥电路在t0t1阶段的等效电路阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriL
24、ruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形 t0t1时段：时段：S1与与S4导通，直到导通，直到t1时时刻刻S1关断。关断。t1t2时段：时段：t1时刻开关时刻开关S1关断后，关断后，电容电容Cs1、Cs2与电感与电感Lr、L构成谐振构成谐振回路，回路，uA不断下降，直到不断下降，直到uA=0，VDS2导通，电流导通，电流iLr通过通过VDS2续流。续流。t2t3时段：时段：t2时刻开关时刻开关S2开通，由开通，由于此时其反并联二极管于此时其
25、反并联二极管VDS2正处于正处于导通状态，因此导通状态，因此S2为零电压开通。为零电压开通。t3t4时段：时段：t3时刻开关时刻开关 S4关断后，关断后，变压器二次侧变压器二次侧VD1和和VD2同时导通，同时导通，变压器一次侧和二次侧电压均为变压器一次侧和二次侧电压均为零，相当于短路，因此零，相当于短路，因此Cs3、Cs4与与Lr构成谐振回路。构成谐振回路。Lr的电流不的电流不断减小，断减小，B点电压不断上升，直点电压不断上升，直到到S3的反并联二极管的反并联二极管VDS3导通。导通。这种状态维持到这种状态维持到t4时刻时刻S3开通。开通。因此因此S3为零电压开通。为零电压开通。三三.移相全桥
26、型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路图图 7-177-17移相全桥电路在移相全桥电路在t3t4阶段的等效电路阶段的等效电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形t4t5时段：时段：S3开通后，开通后，Lr的电的电流继续减小。流继续减小。iLr下降到零后反下降到零后反向增大，向增大，t5时刻时刻iLr=IL/kT，变，变压器二次侧压器二次侧VD1的电流下降到的电流下降到零而关断，电流零而关断，电流I
27、L全部转移到全部转移到VD2中。中。t0t5是开关周期的一半，另一是开关周期的一半，另一半工作过程完全对称。半工作过程完全对称。三三.移相全桥型零电压开关移相全桥型零电压开关PWM电路电路图图 7-14 7-14 移相全桥零电压开关移相全桥零电压开关PWMPWM电路电路S1S3S4S2uABuLriLruT1uRiVD1iVD2iLt0t1t2t3t4t5t6t7t8t9t0t9t8ttttttttttttOOOOOOOOOOOO图图 7-15 移相全桥电路的理想化波形移相全桥电路的理想化波形四四.零电压转换零电压转换PWM电路电路1.工作过程：工作过程：辅助开关辅助开关S1超前于主开关超前于
28、主开关S开通，开通，S开通后开通后S1关断。关断。t0t1时段：，时段：，S1导通，导通，VD尚处尚处于通态，电感于通态，电感Lr两端电压为两端电压为Uo，电流电流iLr线性增长，线性增长，VD中的电流以中的电流以同样的速率下降。同样的速率下降。t1时刻，时刻，iLr=IL，VD中电流下降到零，关断。中电流下降到零，关断。图图7-18 7-18 升压型零电压升压型零电压转换转换PWMPWM电路的原理图电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图7-19 7-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWMPWM电路的理想化波形电路
29、的理想化波形l零电压转换零电压转换PWMPWM电路具有电路简单、电路具有电路简单、效率高等优点。效率高等优点。四四.零电压转换零电压转换PWM电路电路t1t2时段：时段：Lr与与Cr构成谐振回路，构成谐振回路，Lr的电流增加而的电流增加而Cr的电压下降，的电压下降，t2时刻时刻uCr=0，VDS导通，导通，uCr被被箝位于零，而电流箝位于零，而电流iLr保持不变。保持不变。t2t3时段：时段：uCr被箝位于零，而被箝位于零，而电流电流iLr保持不变，这种状态一直保持不变，这种状态一直保持到保持到t3时刻时刻S开通、开通、S1关断。关断。图图 7-20 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路
30、电路在在t1t2时段的等效电路时段的等效电路图图7-18 7-18 升压型零电压升压型零电压转换转换PWMPWM电路的原理图电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图7-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的理想化波形电路的理想化波形四四.零电压转换零电压转换PWM电路电路t3t4时段：时段：t3时刻时刻S开通时，开通时，为零电压开通。为零电压开通。S开通的同开通的同时时S1关断，关断，Lr中的能量通过中的能量通过VD1向负载侧输送，其电流向负载侧输送，其电流线性下降，主开关线性下降，主开关S中的电中的电流线性上
31、升。流线性上升。t4时刻时刻iLr=0，VD1关断，主开关关断，主开关S中的电流中的电流iS=IL，电路进入正常导通状，电路进入正常导通状态。态。t4t5时段：时段：t5时刻时刻S关断。关断。Cr限制了限制了S电压的上升率，降电压的上升率，降低了低了S的关断损耗。的关断损耗。图图7-18 7-18 升压型零电压升压型零电压转换转换PWMPWM电路的原理图电路的原理图SS1uSiLriS1uS1iDiSILt0t1t2t3t4t5ttttttttOOOOOOOO图图7-19 升压型零电压转换升压型零电压转换PWM电路的理想化波形电路的理想化波形 本章小结本章小结v本章的重点为：本章的重点为：1.
32、1.软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关条件，大大降低了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题。噪声问题。2.2.软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类。按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关按照其出现的先后，可以将其分为准谐振、零开关PWMPWM和零转换和零转换PWMPWM三大类。每一类都包含基本拓扑三大类。每一类都包含基本拓扑和众多的派生拓扑。和众多的派生拓扑。3.3.零电压开关准谐振电路、零电压开关零电压开关准谐振电路、零电压开关PWMPWM电路和零电电路和零电压转换压转换PWMPWM电路分别是三类软开关电路的代表；谐振电路分别是三类软开关电路的代表；谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。直流环电路是软开关技术在逆变电路中的典型应用。
